工程材料3---陈开源

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1、2.3工程塑料、特种陶瓷、复合材料 要求了解。,2.3.1 工程塑料,塑料：以合成树脂为主要组成的材料，通常可在加热、加 压条件下塑造成一定形状的产品。,塑料的组成 合成树脂-由低分子化合物通过缩聚或聚合反应合成的高分子化合物，是塑料的主要组成，决定塑料的类型及基本性能。,添加剂-改进性能 固化剂 促进交连-体型网状结构-更坚硬，稳定 增塑剂 提高树脂的可塑性和柔软性 稳定剂 防止受热，光作用而过早老化 润滑剂 防止成型过程中粘模 着色剂 着色 阻燃剂 阻燃 增强剂 石墨，三硫化钼，石棉纤维和玻璃纤维等,按热性能分类 热塑性塑料：加热时软化，可塑造成型，冷却后复硬，可 反复进行。 优点：加工成

2、型简便，机械性能较好，是塑料中性能较好 的工程塑料。 缺点：耐热性和刚性较差。 典型品种：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸 酯、聚苯醚等。 热固性塑料：初加热时软化，可塑造成型，固化后再加热 不再软化，不溶于溶剂。 优点：耐热性好，受压不易变形。 缺点：机械性能不好。 典型品种：酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、聚硅醚树脂等。,按使用范围分类 通用塑料：应用范围广，生产量大，价廉。 如：聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料、氨基塑料等。 工程塑料：综合工程性能（机械性能、耐热、耐寒性能，耐蚀性和绝缘性等）良好。 如：聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS等。 特殊塑料：可在较高温度（100200

3、）下工作，耐蚀不燃。 如：聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树脂、环氧树脂。,1.常用热塑性工程材料 聚酰胺（PA） 尼龙,性能：突出的耐磨性和自润滑性能，韧性很好，强度较好，耐热性不高（100），蠕变值较大。导热性差，吸水性高。耐蚀性好（耐水、油、一般溶剂、化学药剂），抗霉，抗菌，无毒。成型性能好。 用途：耐磨、耐蚀的承载转动零件（齿轮、轴承、螺钉和螺母等小型零件）,一种没有侧链，高密度，高结晶性的线性聚合物，具有优异的综合性能。耐疲劳性是热塑性塑料中最高的。 表面光滑，有光泽，硬而致密，淡黄或白色，可在-40-100 温度范围内长期使用。耐磨性和自润滑性也比绝大多数工程塑料优越，良好的耐油、

4、耐过氧化物性能。拉伸强度达70MPa，吸水性小，尺寸稳定，有光泽，这些性能都比尼龙好。尤其用于制造不允许使用润滑油的齿轮轴承和衬套。 很不耐酸，不耐强碱和不耐太阳光紫外线的辐射。,聚甲醛：俗称赛钢,分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物。 无色透明，耐热，抗冲击，在普通使用温度内都有良好的机械性能，耐冲击性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加剂就具有UL94 V-0级阻燃性能。 不耐强酸，不耐强碱，耐磨性差。 制造防弹玻璃、防护面罩、安全帽等。 汽车用玻璃：可使用PMMA、PC。,聚碳酸酯：防弹玻璃胶,ABS塑料,丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物。 具有“硬、韧、刚”的混合特性（混合机械性能较好）；

5、-40低温仍有一定的机械强度。尺寸稳定，耐热和耐蚀性较好，容易电镀，易于成型。 用途：汽车方向盘、仪表盘、飞机舱内的装饰板窗框，机械中的手柄、齿轮、泵叶轮等。,聚四氟乙烯（F-4）,可在-180260内长期使用，耐沸腾的王水，摩擦系数仅0.04，不粘水、不吸水，介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料。 缺点强度低。 不受任何化学试剂的浸蚀。,2.常用热固性工程塑料 1）酚醛塑料（PF，俗称电木）,性能：一定的强度和硬度，耐磨性好；性脆。绝缘性良好（击穿电压不小于10KV）耐热性较高，耐蚀性良好；不耐碱。,用途：电讯器材及电木制品（插座，开关，电话机，仪表盒）；汽车刹车片，纺织机和仪表中的无声齿轮

6、，化工用耐酸泵等；日用品（不能用作食物器皿）。,2）环氧塑料（EP）,性能：强度较高，韧性较好；尺寸稳定性高，耐久性好。耐热耐寒，-80-55长期工作，优良绝缘性能，化学稳定性很好，成型工艺性能好，有某些毒性,用途：环氧塑料 塑料薄膜；精密量具；灌封电器和电子仪表；电器绝缘及印刷线路，制作复合材料。很好的胶粘剂，对各种材料都有很强的胶粘能力。,2.3.2 特种陶瓷,概述,陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料,陶瓷的分类,普通陶瓷-日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔 特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温 金属陶瓷-结构陶瓷，工具（

7、硬质合金），耐热，电工 玻璃陶瓷耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷,陶瓷的生产,(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合） 普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料） 特种陶瓷（人工的化学或化工原料- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形） (3)烧成或烧结,陶瓷的性能,(1)硬度 各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV） (2)刚度 各类材料中最高的 （塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2) (3)强度 理论强度很高（E/10-E/5）；由于晶界的存在，实际强度

8、比理论值低的多。（E/1000-E/100）。耐压，抗弯，不耐拉，较高的高温强度。 (4) 塑性： 在室温几乎没有塑性。 (5) 韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。 (6) 热膨胀性低。导热性差，较好的绝热材料（=10-210-5w/mK） (7) 热稳定性：抗热振性（急冷到水中不破裂所能承受的最高温度）。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220） (8) 化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（液体金属、酸、碱、盐） (9) 导电性：大多是良好的绝缘体，也有不少半导体（NiO，Fe3O4等） (10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。,特种陶瓷,氧化物陶瓷：,Al2O

9、3 高的强度和高温强度（抗压2493MN/m2)，高化学稳定性和介电性能 用途：内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩，刀具等。,热压烧结 反应烧结 硬度高，有自润滑性，耐磨材料，耐蚀。,氮化硅陶瓷,碳化物陶瓷：, 碳化硅 弯曲强度200-250MN/m2，抗压强度1000-1500MN/m2，硬度高，抗氧化，不抗强碱。 用途：加热元件，石墨的表面保护层，砂轮，磨料 碳化硼硬度高，抗磨，熔点高2450 用途：磨料，超硬质工具材料。,氮化硼石墨类型六方结构（白石墨）- 介电体和耐火润滑剂。 立方结构（-BN)-极高硬度，抗加热温度2000，是金刚石的代用品。 用途：高温轴承、高温绝缘材料等。,2.3

10、.3 复合材料,1.复合材料：由两种或多种物理和化学本质不同的物质人工制成的一种多相固体材料。 2.特点： (1)可改善或克服组成材料的的弱点，充分发挥他们的优点，如玻璃钢（玻璃树脂） (2)可按构件的结构和受力要求，进行材料的最佳设计，给出预定的分布合理的配套性能. (3)可创造单一材料不易具备的性能或功能，或同时发挥不同的功能。 3.结构：基体增强相,4.分类：, 按基体类型分类： 非金属复合材料：树脂基复合材料（玻璃钢），橡胶基复合材料（轮胎），陶瓷基复合材料（钢筋混凝土、纤维增强陶瓷）。 金属基复合材料（纤维增强金属） 按增强材料分类： 纤维增强复合材料：纤维增强橡胶（轮胎）、纤维增强

11、塑料（玻璃钢、碳纤维增强塑料）、纤维增强陶瓷、纤维增强金属（碳纤维/铝锡合金）等。应用最广泛。 颗粒增强复合材料：陶瓷颗粒-金属基（硬质合金），金属颗粒-塑料基等。 叠层复合材料：如双金属板，夹层玻璃，多层板等。 夹层结构复合材料：如多孔性铁基和青铜基自润滑衬套。 按复合效果分类： 结构复合材料：通过复合，显著改善材料的机械性能，主要用于结构零件。 功能复合材料：通过复合，显著改善材料的其他性能，形成多功能材料。,复合材料的复合原则与性能,复合材料是由基体材料和增强相构成。两者的类型和性质及两者之间的结合力，决定其性能，增强相的形状、数量、分布及制备过程等也影响其性能。,一.增强机制,(1)颗

12、粒增强复合材料 (2)纤维增强复合材料 (3)晶须增强复合材料,二.复合原则, 纤维增强复合原则,纤维增强相是承载体，要求高的强度、弹性模量、热稳定性。 2. 基体起粘结剂作用，要求润湿性(对纤维)、塑性和韧性及保护不损伤表面性。 3. 纤维和基体之间高而适合的结合强度。过低的结合强度易裂，过高易脆断。 4. 纤维增强相有合理的含量、尺寸和分布。 5. 纤维和基体间不能有化学反应。, 细粒增强复合原则,颗粒应高度均匀弥散分布在基体中。 2. 颗粒大小应适当。一般几微米到几十微米，过大易裂，过小起不到强化作用。 3. 颗粒的体积含量应在20以上，否则达不到强化效果。 4. 颗粒与基体之间有一定的

13、结合强度。,三. 复合材料性能,比强度和比刚度高（各类材料中最高） 2. 抗疲劳和抗断裂性能好。 3. 高温强度高，耐高温。碳纤维复合材料24002800可长期使用。 4. 减摩、耐磨和减振性好。 5. 高韧性和抗热冲击性，绝缘，耐辐射及特殊的光、电、磁等性能。,常见复合材料,玻璃纤维复合材料-玻璃钢,增强剂：玻璃纤维（SiO2+其他氧化物）比强度和比模量高，耐高温，化学稳定性好，电绝缘性较好。,热塑性玻璃钢 粘结剂：热塑性树脂尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、(热塑性聚脂，聚碳酸脂)机械性能、介电性能、耐热性和抗衰老性能较好 (2)热固性玻璃钢 粘结剂:热固性树脂-酚醛树脂，环氧树脂（不饱和聚酯树

14、脂，有机硅树脂） 性能：轻，比强度高(高于铜合金和铝合金，有高于合金钢)，耐蚀性好,介电性能优越，成型性能良好刚度较差，易老化，易蠕变。 用途：玻璃纤维/尼龙轴承，轴承架，齿轮；玻璃纤维/聚苯乙烯汽车内装饰制品，机壳。,碳纤维复合材料,增强剂：碳纤维（石墨）高强度、高弹性模量且2000 C以上保持不变；-180 C不变脆。,(1)碳纤维树脂复合材料 基体-环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯性能普遍优于玻璃钢； 用途：航天材料-飞行器，火箭外层材料，天线支架，壳体，机架 ,齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器 (2)碳纤维金属复合材料 基体-金属(主要为熔点较低的金属或合金，如碳纤/铝锡合金) 性能特

15、点：接近于金属熔点仍有很好的强度和弹性模量 用途：碳纤/铝锡合金高强度高级轴承其减磨性能优于铝锡合金。,2.硼纤维复合材料,增强剂：硼纤维-硼纤维沉积于钨丝,(1)硼纤维树脂复合材料 基体环氧树脂，聚苯并咪唑，聚酰亚胺树脂 性能：抗压强度为碳纤维复合材料的22.5倍，剪切强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，高疲劳强度（340390MN/m2），耐辐射，化学稳定（水，有机溶剂，燃料，润滑剂），导热性能和导电性能好，硼纤维是半导体。 应用：航空和宇航材料，如：翼面，仪表盘，转子，叶片，直升机螺旋桨叶的传动轴等 (2)硼纤维金属复合材料 基体铝镁及其合金，钛及其合金应用：航空、火箭 性能：如铝基复合材

16、料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金和耐热铝合金，比强度高于钢和钛合金。,金属基复合材料,金属和陶瓷组成的复合材料，属颗粒增强复合材料，又称金属陶瓷。 金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。由于这类复合材料加工温度高、工艺复杂、界面反应控制困难、成本相对高，应用的成熟程度远不如树脂基复合材料，应用范围较小。,橡胶基复合材料,纤维增强橡胶 粒子增强橡胶 陶瓷基复合材料 以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材